基于低壓直流供電的車路協同一體化系統

劉林旭，呂志鵬,2

（1.上海電力大學 電子與信息工程學院，上海 200090；2.國網上海能源互聯網研究院有限公司，上海 201210）

0 引 言

近些年，隨著諸如雷達技術、傳感器技術、圖像識別技術、人工智能技術、通信技術等的高速發展，眾多的汽車生產制造商開始向汽車無人駕駛領域進軍，致力于打造自主的自動駕駛技術，但是在這些汽車的上路測試過程中的確是發生了不少令人痛心的碰撞肇事事故[1]。這些事故也實實在在地說明了無人駕駛在單車智能方面的研究上有待進一步突破。為了彌補無人駕駛在單車智能方面的不足，以我國科研院所為主要研發主體的車路協同技術路線得到了發展。

2020年2月，我國11部委聯合出臺《智能汽車創新發展戰略》，提出“人-車-路-云”系統協同發展的概念，路側智能化基礎建設成為推動智能網聯汽車強國戰略和車路協同技術發展的重點內容。

2020年3月，中共中央政治局常務委員會召開會議提出，加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。智能交通在公路領域的規?；l展，勢必引入大量5G基站、智能網聯等新型基礎設施建設，推動公路存量基礎設施的升級改造，滿足未來交通智慧化、網聯化的需要。

2020年7月，2020世界人工智能大會（WAIC）自動駕駛論壇也討論了在路側智能化基建的背景下，車路協同智慧交通有望成為AI、5G和工業互聯網“殺手級”的應用，并將決定我國無人駕駛的成敗與速度。

以車路協同技術路線在高速公路上實施為樣例，逐步推廣和實現車路協同技術路線的發展。車路協同技術路線在高速公路上實施，勢必需要在高速全路域增加大量感知、采集、計算、發布、通信等路側智能化設施，這些設施也成為高速公路主要增量負荷，這些負荷對電能需求的顯著特點是全路域覆蓋和高可靠性。因此，給路側智能化設施選擇合適的供電方式、通信組網方式，有效降低成本成為車路協同技術路線成功的重要支撐?；诖?，本文介紹了一種基于低壓直流供電的車路協同一體化系統。

1 路側智能基礎設施

1.1 智能前端感知采集設備

在高速公路道路內，根據需求建設采集點位，在每個點位上，配置1套包含多光譜攝像機、補光燈、毫米波雷達、激光雷達等智能前端感知采集設備，如圖1所示。設備支持多種連接方式與路側通信單元（RSU）進行信息交互，完成對采集點處的人、車、物動態感知，為V2X應用提供行人、車輛位置、速度等狀態信息。車路協同智能前端感知采集如圖1所示。

圖1 車路協同智能前端感知采集

1.2 高精度定位基準站

10 km內建設1套高精度定位基準站，部署在移動通信基站上，多套慣性導航系統及高精度定位車載終端部署在自動駕駛車輛上，保障車輛位置信息的準確性[2]。

1.3 邊緣計算平臺

部署邊緣計算平臺的基本思想是把云計算平臺遷移到移動接入網的邊緣，將傳統電信蜂窩網絡與互聯網業務進行深度融合，減少移動業務交付的端到端時延[3]。車路協同路側設備及邊緣計算功能的實現，需要部署路側分布式微數據中心，提高車路協同系統規劃設計效率，提高邊緣計算能力，降低數據交互處理時延[4-6]。預計高速公路兩側部署密度需求為1套/km，可與通信基站實現物理場所共享建設并將分析結果傳輸至車路協同平臺。

1.4 5G通信基站

每300～500 m部署一座5G基站，覆蓋10 km高速道路。5G超高可靠與低延時通信（URLLC）重點解決車聯網、工業控制等垂直行業的特殊應用需求，這類應用對時延和可靠性具有極高的指標要求，需要為用戶提供毫秒級的端到端時延和接近100%的業務可靠性保證[7]。

2 路側智能基礎設施供電方式的選擇分析

根據高速公路路域狹長型特征、可靠性和經濟性要求，依據《配電網技術導則》《配電網規劃設計技術導則》，遵循強簡有序、差異化配置原則，分區域構建結構簡單、類型統一、界限清晰、標準模塊的目標網架。高速公路路側5G基站、車路協同設備、光伏、儲能等源網荷儲均為直流設備，因此采用低壓直流組網供電有利于路側多元源荷便捷接入，相比于交流組網，無需額外配置濾波器、無功補償器、逆變器等設備，減小了系統設備數量，降低了系統控制復雜度，提高了系統能量轉化效率。同時，5G高速通信、車路協同等新型業務，需要優質、連續、可靠的電力供給。低壓直流組網供電采用直流公共母線和柔性電力電子變換裝備，具備較好的動態性能和控制性能，相比于交流組網，具有可控性強、供電可靠性高、電能質量高、供電容量大的優勢[8]。

按照模塊部署、權屬清晰、維護方便的原則，采用從高速公路服務區或路側電源點向上行下行延伸供電的模式，采用鏈接式子網相互備用，以提高供電可靠性。綜合考慮，給出一種低壓直流組網供電方案，如圖2所示，交流電源點引出交流電，通過變壓器轉低壓直流供電，形成由多種直流電源（光伏、儲能等）、多種直流負荷（車路協同單元、5G基站、多光譜攝像機、補光燈、毫米波雷達、激光雷達等智能前端感知采集設備）組成的低壓直流配電網的高速公路電力能源鏈；光伏、儲能輸出本身為直流電，通過DC/DC變換器統一接入直流母線；車路協同單元、5G基站、路側攝像頭等直流用電設備也通過DC/DC變換器接入直流母線，與直流母線實現能量交換；高速公路能源子網通過雙向AC/DC經變壓器連接到10 kV交流配電網；高速公路電力能源鏈間隔1.5 km形成能源子網，既可與交流配電網連接并網運行，與電網實現功率交互，也可在配電網故障等工況下，與交流配電網脫開，依靠內部的光伏、儲能作為電源獨立帶負荷運行，并能實現相鄰能源子網的能量互濟。

圖2 交流引線直流組網供電拓撲結構

3 車路協同一體化系統

在車路協同一體化系統中，基于5G的物聯通信技術十分關鍵，由于5G通信技術的超高可靠性和低延時，使得車路協同無人駕駛的實現成為可能[9]。5G物聯通信的穩定性是車路協同中必不可少的一環，通信過程要求實時，不可中斷，因此對5G物聯通信的質量有很大的要求，需要綜合考慮基站的安裝密度，實現較高的可靠性。

如圖3所示，路側智能前端采集設備將采集的路況信息通過有線的方式與路側通信單元（RSU）和路側協同單元（RCU）進行信息交互；路側通信單元將路況信息通過5G基站對智能網聯汽車和車路協同云平臺發布；智能網聯汽車得到路況信息反饋，做出駕駛預判，實現車路協同無人駕駛的可靠性與安全性。路側通信單元和路側協同單元具有邊緣計算能力，可以實現對智能前端采集設備采集的信息進行識別、提取、轉換、分析。車路協同云控平臺集成視頻監控系統、交通流量檢測系統、信號控制系統等交通業務系統，幫助管理者實時了解路網的運行狀況及其變化規律，為自動駕駛車輛提供可靠的預測和規劃決策，為交通管理決策部門提供道路交通狀況遠程實時監控。通過視頻監控系統、檢測系統、移動終端等實現對交通基礎設施的信息化管理，幫助管理人員全面感知和監測基礎設施狀態，為交通基礎設施安全管理和養護管理提供支持，提高交通運行管理水平和服務保障能力[10]。

圖3 車路協同一體化系統通信組網示意圖

4 結 語

隨著自動駕駛技術的快速發展，無人駕駛在單車智能方面取得了很大的突破，但以AI為核心的單車智能仍存在許多局限性，與單純依靠單車智能相比，基于5G通信的車路協同則可極大地提升行車安全，提高交通系統運行效率，降低車載設備成本，從而促進無人駕駛的快速落地。本文提出一種基于低壓直流供電的車路協同一體化系統，將單車智能與智能路網進行有機結合，實時進行信息交互，實現人、車、路、云的一體化運行監測，改變現階段傳統交通帶來的各種問題和困擾，極大地推動了交通行業的發展。